Électro-aimant

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Qu'est-ce qu'un électro-aimant ?

Un électro-aimant est un aimant qui fonctionne à l'électricité. Il doit être alimenté par du courant électrique. La puissance de l'électro-aimant peut alors être réglée par le courant. Si l'on coupe le courant, le champ magnétique disparaît également. C'est pourquoi on utilise souvent des électro-aimants et non des aimants permanents dans la technique, car les champs magnétiques réglables présentent des avantages. Dans le cas le plus simple, une bobine de fil de fer dans laquelle passe un courant agit comme un électro-aimant.

Table des matières

Principe de fonctionnement des électro-aimants

Un électro-aimant est un appareil qui produit un champ magnétique lorsqu'il est connecté à une source de courant. Il s'agit le plus souvent d'un conducteur parcouru par un courant et enroulé en forme de bobine avec un noyau de bobine ferromagnétique. Le champ magnétique est provoqué par les charges en mouvement du courant dans le conducteur.

Selon les connaissances actuelles, le mouvement des porteurs de charges est le seul moyen de créer un champ magnétique. C'est ce que décrivent également les équations de Maxwell, les équations fondamentales de l' électrodynamique, établies par le physicien James Clerk Maxwell. Les équations de Maxwell décrivent avec précision la grandeur des champs magnétiques et électriques en fonction des courants et des charges. Pour en savoir plus sur l'Histoire des aimants, consultez notre guide.

En principe, il n'existe que des champs magnétiques générés par le mouvement des charges. Il en résulte toujours un champ magnétique avec un pôle nord et un pôle sud. Les sources du champ magnétique, au même titre que les charges sont les sources du champ électrique, n'existent pas.

Le premier physicien à avoir reconnu les forces magnétiques d'un conducteur parcouru par un courant, à les avoir interprétées correctement et à avoir écrit sa découverte est Hans Christian Oersted. Oersted a ainsi observé en 1820 la déviation d'une aiguille de boussole à proximité d'un fil traversé par un courant électrique.

Les forces magnétiques des aimants permanents sont également causées par des mouvements de charges microscopiques dans la matière. Les électrons se déplacent ainsi à grande vitesse dans les atomes. Dans le même temps, les électrons ont également un spin électronique caractéristique. Les deux provoquent un moment magnétique et donc des forces magnétiques.

Jusqu'à présent, les plus grands champs magnétiques ont été générés par de grandes bobines traversées par des courants forts. Le champ magnétique H au centre d'une bobine de longueur l et de rayon R est proportionnel au courant dans la bobine I, il est proportionnel au nombre de spires de la bobine n et il est indirectement proportionnel à la longueur de la bobine I pour les bobines très longues, ou indirectement proportionnel au rayon R de la bobine pour les bobines très courtes. La formule pour le champ magnétique H sur l'axe d'une bobine cylindrique parcourue par un courant est la suivante :

\(H = \frac{n\cdot{I}}{\sqrt{l^2+4\cdot{R^2}}}\)
Le champ magnétique d'une bobine de petit diamètre et d'un très grand nombre de spires est donc particulièrement fort lorsqu'un courant très important est envoyé à travers celle-ci.

C'est pourquoi on utilise aujourd'hui des bobines supraconductrices à grand nombre de spires pour générer des champs magnétiques particulièrement importants. Les supraconducteurs sont des matériaux qui ne possèdent aucune résistance électrique et qui conduisent donc le courant sans frottement. Un courant très important peut donc circuler dans le matériau supraconducteur. Afin de réduire la surface de la section transversale et donc le diamètre de la bobine, des expériences de recherche fondamentale sur les champs magnétiques élevés ont consisté à faire exploser des bobines supraconductrices à l'aide d'une charge explosive placée autour de la bobine. Le diamètre de la bobine supraconductrice se réduit alors brusquement et le champ magnétique augmente fortement pendant une courte période, même s'il s'effondre ensuite immédiatement, puisque la bobine a été détruite. L'explosion a quasiment comprimé les lignes de champ champs magnétiques.

Ce procédé a déjà permis de générer des champs magnétiques d'une intensité de quelques 10 000 teslas. Des champs magnétiques encore plus grands existent dans l'espace à la surface des étoiles à neutrons.

Illustration de la conception d'un électro-aimant

L'illustration de gauche montre un extrait du champ magnétique H d'un conducteur traversé par un courant I. Au centre, on voit le tracé des lignes de champ lorsque le conducteur est plié pour former une boucle. Si de nombreuses boucles de conducteurs (spires) sont enroulées autour d'un noyau ferromagnétique (page de droite) et qu'une tension U est appliquée au conducteur, un courant I circule et un champ magnétique H apparaît, lequel est beaucoup plus fort que le champ magnétique de la boucle de conducteur individuelle en raison du noyau ferromagnétique et du grand nombre de spires. Cette configuration correspond à un électroaimant classique. La forme du champ magnétique est cependant similaire à celle d'une boucle conductrice et identique à celle d'un aimant permanent cylindrique. Pour des raisons de clarté, les lignes de champ de la bobine de droite n'ont été que suggérées. Elles sont beaucoup plus denses que dans le cas de la boucle conductrice individuelle et vont du pôle nord (ici le dessous de la bobine) au pôle sud (ici le dessus de la bobine) pour se rejoindre à l'intérieur de l'électroaimant. Les pôles nord et sud peuvent être inversés en inversant les pôles de la source de tension et donc le sens du courant.

Dans un matériau ferromagnétique, il existe des polarisations magnétiques élémentaires qui peuvent s'aligner dans un champ magnétique extérieur et amplifier celui-ci jusqu'à mille fois. C'est pourquoi des matériaux ferromagnétiques sont utilisés comme noyaux de bobine dans les électro-aimants. Le cas le plus simple consiste à enrouler un fil autour d'un cylindre en matériau ferromagnétique (par exemple du fer).

Une expérience simple à ce sujet peut être réalisée par tout le monde à la maison. Il suffit pour cela d'enrouler un fil de cuivre autour d'un crayon. Si les extrémités du fil de cuivre sont reliées au pôle positif ou négatif d'une pile, un courant circule dans le fil et un électro-aimant est créé. Celui-ci permet par exemple d'orienter l'aiguille d'une boussole.

Si le fil de cuivre est par exemple enroulé autour d'un cylindre de fer au lieu d'un crayon, le champ magnétique est nettement plus fort. Il est amplifié par le noyau ferromagnétique du facteur μ, la perméabilité magnétique. Pour le fer, μ peut prendre des valeurs supérieures à 1 000.

Applications techniques des électro-aimants

Les électro-aimants sont aujourd'hui utilisés entre autres dans les générateurs et les moteurs électriques, se trouvent dans des relais et sont une condition préalable pour la réalisation de nombreux composants électroniques dans le domaine de la radio et de la télévision. Des transformateurs classiques sont par exemple composés de bobines se faisant face et ayant un nombre de spires différent.
Dans un transformateur contenant deux bobines, le champ magnétique d'une bobine induit une tension dans la bobine qui lui fait face. La valeur de cette tension dépend du rapport entre les nombres de spires des deux bobines. Il est donc possible d'augmenter ou de diminuer les tensions sans perdre beaucoup de puissance (hormis les pertes de chaleur).

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Auteur:
Dr Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt est physicien et directeur scientifique des cours pratiques avancés de physique à l'université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Il a travaillé à l'université technique de 2011 à 2019 et a dirigé divers projets pédagogiques ainsi que le laboratoire de projets en chimie. Ses recherches se concentrent sur la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur des macromolécules biologiquement actives. Il est également directeur de Sensoik Technologies GmbH.

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